Химическая термообработка – теория термообработки: отжиг, закалка, отпуск, термомеханическая обработка - справочник нержавеющего металлопроката

Содержание

Термическая обработка металлов — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Металл в термопечи

Термической (или тепловой) обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия.

Общая длительность нагрева металла при тепловой обработке складывается из времени собственного нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Время нагрева зависит от типа печи, размеров изделий, их укладки в печи; время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений.

Нагрев может сопровождаться взаимодействием поверхности металла с газовой средой и приводить к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. Обезуглероживание приводит к тому, что поверхность изделий становится менее прочной и теряет твёрдость.

При нагреве и охлаждении стали происходят фазовые превращения, которые характеризуются температурными критическими точками. Принято обозначать критические точки стали буквой А. Критические точки А1 лежат на линии PSK (727 °С) диаграммы железо-углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит. Критические точки А2 находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. A3 соответствует линиям GS и SE, на которых соответственно завершается превращение феррита и цементита в аустенит при нагреве.

Для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения, например Ас1, Ac3, Ar1, Ar3.

Виды термической обработки[править | пра

ru.wikipedia.org

какие бывают способы и технологии для стали

Термообработка — основополагающий химический процесс, проводимый при работе со сплавами. В черной и цветной металлургии методика берется за основу и имеет огромное количество различных вариаций. От правильного проведения операции зависят химические, технические и механические свойства металла. Все виды термообработки стали подразделяются на определённые группы, что позволяет подбирать рациональные вариации.

Основные виды термической обработки

На промышленных предприятиях все процессы автоматизированы и человек принимает в них лишь косвенное участие. Все технологии практически идентичные, но имеют отличия по условиям температуры и другим факторам. В первую очередь сплав нагревается до определённой температуры, далее его выдерживают в этих температурных режимах. На последнем этапе происходит моментальное охлаждение. Таким образом, термообработанная сталь будет иметь уникальные технические характеристики. Основные типы технологий:

Термическое воздействие включает в себя закалку, старение, отпуск, криогенный нагрев.
Термомеханические методики. Сопровождаются не только нагревом, но и механическими воздействиями.

Термохимические технологии. После воздействия температурой происходит обработка различными типами жидкостей или газов, что может упрочнять сплав.

Любой способ подразумевает под собой получение требуемых условий, поэтому в случае возникновения сложностей вторичная обработка будет неприемлемой. Каждая технология по-своему уникальна, но при этом основывается на нагревании металлов.

Поэтому требуется более основательно разобраться с различиями и другими факторами. Это позволит получить более конкретную информацию обо всех интересующих аспектах.

Отжиг металлов в печи

Стандартная методика, при которой заготовки отправляют в печь и нагревают. В дальнейшем остывание происходит не в отдельных камерах, а в той же печи. Таким образом, начинается естественный процесс остывания за счет температуры окружающей среды. Если рассматривать виды термообработки металлов, то представленная

технология — одна из самых простых. Технология позволяет получить следующие свойства:

Уменьшается твердость, в дальнейшем легко перерабатывать сплавы.
Повышается зернистость структуры.
Исчезают неоднородные сегменты.
Исчезает внутреннее напряжение.

В настоящее время представленная технология реализуется в нескольких разнообразных вариациях. Как указывает технологический справочник, для различных нужд создаются оптимальные условия. На промышленных предприятиях данные работы должны проводиться в специальных печах. Сегодня отжиг стальных заготовок применяется для получения высококачественной стали. Такие методики очень важны для промышленности и развития индустрии в этом сегменте.

Технология закалки

Один из самых распространённых методов термической обработки — это закалка. Технология представляет собой термические манипуляции с металлами и нагрев их до критических температур. Результатом технологии становится

повышение пластичности и прочности сплавов. Отличием закалки от отжига является довольно быстрое охлаждение. Для этих целей применяются ванны с водой, что в значительной степени ускоряет процессы. С технической точки зрения это уникальная методика. Существует несколько основных разновидностей закалки:

Технология, где используют только один тип жидкости для охлаждения.
Прерывистая методика. Сначала металл нагревают до критического показателя и опускают в воду. После остывания до температуры 300 градусов оставляют на воздухе или в масле.
Ступенчатая. В этом случае применяется методика охлаждения в воде, потом в специальных солях и на последнем этапе оставляют остывать на воздухе. Таким образом, на каждом этапе металл приобретает более уникальные технические характеристики.
Изотермическая — практически идентична ступенчатой закалке.

Частичная закалка. Охлаждение происходит только по краям металла, в середине он остается горячим. Такая методика применяется при изготовлении отбойных инструментов, так как сплав получается вязким в середине и прочным по краям.

Технология закалки очень часто используется в кузницах как основной метод термообработки. Его эффективность подтверждается многими годами использования и указывает на невероятные преимущества. В настоящее время на каждом этапе технологического процесса нужно контролировать показатели. Это позволит получить металл с требуемыми характеристиками.

Отпуск и старение сплавов

Если нет информации о том, какая обработка стальных изделий характеризуется улучшением технических показателей, то можно выбрать любую методику. Все связано с тем, что каждая технология имеет определённые преимущества и достоинства. Отпуск — это методика, используемая на последнем этапе обработки металлов, таким образом, за счет нее придаются различные физические свойства конечного формата. Для этого металлическую деталь нагревают до температуры, которая должна быть ниже критической, и проводят охлаждения. В настоящее время известно несколько основных типов

отпуска:

высокий;
средний;
низкий.

Процесс старения применяется для обработки чугуна и различных типов цветных металлов. Технология очень распространена, так как позволяет увеличивать пределы текучести и прочности металлов. Проводят старение после отжига при нормальной температуре, это позволяет добиться требуемого эффекта без каких-либо сторонних технологий.

Особенность любого типа термической обработки заключается в профессионализме исполнителей. У каждого специалиста, работающего с металлом, есть свои секреты, которые он применяет на практике. Удается получать металл с уникальными техническими характеристиками. В заводских условиях нужно придерживаться технического регламента, поэтому металл всегда одинакового формата, это иногда является большой проблемой. Технические стандарты остаются постоянными.

Криогенное воздействие

В настоящее время техника и технология постоянно развиваются, появляются новые варианты воздействий на сплавы. Сегодня можно использовать не только высокие температуры, но и низкие. То есть холод также улучшает качество материалов. Существуют специальные криогенные камеры, в которых и проводятся технологические процедуры. Температура, при которой находятся детали и заготовки, равна -196 градусов Цельсия. Преимущество технологии заключается в том, что не требуется повторная обработка.

Конечно же, технология не всегда бывает подходящей и имеет множество различных нюансов. Рекомендуется пользоваться технологическими регламентами, что позволит в значительной степени повысить качество продукта. Также при такой обработке в значительной степени снижаются затраты. Достаточно использовать холодильник, при высоких температурах нужны сторонние ресурсы на разогрев печи и так далее.

Термомеханическое воздействие

Из всех перечисленных технологий представленная методика в промышленных масштабах используется уже давно. Суть заключается в предварительном нагревании металла до пластичного состояния и в дальнейшем механическом воздействии. Термомеханическая обработка может быть нескольких видов:

Низкотемпературная обработка. Ее отличие заключается в том, что металл нагревается до аустенитного состояния. Технология включает в себя пластическую деформацию, закалку и отпуск. Все делается в соответствии с техническим регламентом.
Высокотемпературная обработка. Металл нагревается до мартенситного состояния, проводится пластическая деформация.
Предварительная обработка.

Выбрать нужный метод позволяют практика и те цели, которые вы преследуете. С технологической точки зрения каждый метод любого типа термической обработки подходит только для определённых металлов и сплавов. Именно этим фактором обусловлено разнообразие. То есть ни в коем случае нельзя подвергать сталь воздействию определенного типа, если оно не подходит. Это приведет к ухудшению качества материалов.

Химическая обработка

Химические реакции с металлами в совокупности с термическими воздействием приводят к повышению износостойкости, устойчивости к воздействию кислот и щелочей. В настоящее время существуют специализированные промышленные условия для проведения большого количества процессов. Важно различать методики и использовать их в нужный момент. Типы термохимических реакций:

Цианирование — металл подвергают одновременному воздействию углерода и азота. Основа методики заключается в насыщении сплава данными элементами.
Азотирование — технология, позволяющая повысить коррозионную устойчивость металлов до максимальных показателей, также повышается прочность. Для этого сплавы погружают в азотную среду.

Диффузионная металлизация — очень сложная технология, но схожая с предыдущими. Благодаря ее проведению металл становится более прочным, износостойким и не подвергается воздействию агрессивных средств. Для этого поверхность сплавов обрабатывают бромом, хромом, алюминием.
Цементация — методика, повышающая прочность металла. Для этого используют углерод, который в газовом состоянии непрерывно подается на металл в печи.

В каждом отдельном случае важно соблюдать все правила технологического сопровождения. Сплав при неправильном воздействии может потерять свои технические характеристики и будет отправлен на дополнительную переплавку. В таких ситуациях используются контрольно-измерительные приборы, исключающие нарушение технологии.

Цветные сплавы

Каждый отдельный цветной металл или сплав отличается от других физическими и химическими свойствами, что не скажешь о черных металлах. Поэтому рекомендуется для каждого отдельного случая подбирать свои методики, чтобы не потерять качество. Рекристализационный отжиг проводится для меди, что в значительной степени повышает качество, и происходит термоупрочнение. Различают такие особенности:

Латунь ни в коем случае нельзя сильно нагревать, предел — 250−300 градусов Цельсия. При неправильной обработке либо высоких температурах происходит растрескивание структуры.
Бронзу нужно гомогенизировать и в последующем нагревать до 600 градусов Цельсия.
Магний можно обрабатывать различными методами: старение, отжиг и так далее.
Титановые сплавы можно закаливать, отжигать, подвергать старению, цементации.

В настоящее время существуют специальные справочники и технические пособия, позволяющие подбирать соответствующие методики для повышения технических свойств металлов. Специалисты, работающие на промышленных предприятиях, действуют по заранее заложенным планам и техническим документам. Таким образом, каждая методика по-своему уникальна и делает металлы и сплавы более качественными и подходящими для технических и промышленных нужд.

Промышленные компании применяют практически все существующие методы, что дает возможность получить сплавы различного формата. Очень важно придерживаться регламентов и стандартов ГОСТ. Каждая рассмотренная термическая обработка имеет свои стандарты и технические нормативы. Любое отклонение приведет к получению некачественного материала, и, следовательно, будет брак.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

remoskop.ru

Термическая обработка металлов и сплавов

Курсовая работа

на тему: «Термическая обработка металлов и сплавов»

Введение

Термическую обработку применяют на различных стадиях производства деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может быть промежуточной операцией, служащей для улучшения обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других – является окончательной операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости (улучшения обрабатываемости), а детали – для придания им определенных, требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и других).

В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые. Сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи с чем расширяется область их применения.

Назначение и виды термической обработки

Термической (тепловой) обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате чего происходят изменения структуры, фазового состава, механических и физических свойств материала, без изменения химического состава.

Назначение термической обработки металлов – получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка – только термическое воздействие, термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации, химико-термическая – сочетание термического и химического воздействия. Термическая обработка, в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг

Отжиг – термическая обработка заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений, устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка, обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

Отжиг первого рода . Это отжиг при котором не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный – это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950ºС (обычно 1100–1200ºС) с целью выравнивания химического состава.

Рекристаллизационный – это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепаи получение определенной величины зерна.

Отжиг второго рода . Это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. Различают следующие виды: полный, неполный, диффузионный, изотермический, светлый, нормализованный (нормализация), сфероидизирующий (на зернистый перлит).

Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30–50 °С выше критической точки, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400–500 °С со скоростью 200 °С в час углеродистых сталей, 100 °С в час для низколегированных сталей и 50 °С в час для высоколегированных сталей. Структура стали после отжига равновесная, устойчивая.

Неполный отжиг производится путем нагрева стали до одной из температур, находящейся в интервале превращений, выдержкой и медленным охлаждением. Неполный отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, понижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием

Диффузионный отжиг . Металл нагревают до температур 1100–1200ºС, так как при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава.

Изотермический отжиг заключается в следующем: сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры, находящейся ниже критической на 50–100ºС. В основном применяется для легированных сталей. Экономически выгоден, так как длительность обычного отжига (13 – 15) ч, а изотермического отжига (4 – 6) ч

Сфероидизирующий отжиг (на зернистый перлит ) заключается в нагреве стали выше критической температуры на 20 – 30 °С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении.

Светлый отжиг осуществляется по режимам полного или неполного отжига с применением защитных атмосфер ил в печах с частичным вакуумом. Применяется с целью защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.

Нормализация – заключается в нагреве металла до температуры на (30–50) ºС выше критической точки и последующего охлаждения на воздухе. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Вместо отжига низкоуглеродистые стали подвергают нормализации. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Высокоуглеродистые стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки. Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют вместо отжига для исправления структуры легированных сталей. Нормализация по сравнению с отжигом – более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью.

Закалка

Закалка – это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры.

В результате закалки повышается прочность и твердость и понжается пластичность стали. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры – мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки.

Закалка в одном охладителе . Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).

Закалка в двух средах (прерывистая закалка) – это закалка при которой деталь охлаждают последовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (вода), вторая – воздух или масло.

Ступенчатая закалка . Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях, после выдержки в течении времени необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует снижению закалочных напряжений.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда на 20–100 °С выше точки мартенситного превращения для данной стали. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе. Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, то есть сочетание высокой вязкости с прочностью.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

Отпуск

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска – снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру.

В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350–600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется для конструкционных сталей.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 350 – 500 °С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей.

Низкий отпуск производится при температурах 150–250 °С. Твердость детали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость и износостойкость.

Контроль отпуска осуществляется по цветам побежалости, появляющимся на поверхности детали.

Старение

Старение –это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры.

Если изменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным.

Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным.

mirznanii.com

Лекция 7 термическая обработка металлов

Лекция 7

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Термическая обработка делится на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую.

Собственно термическая обработка – термическое (тепловое) воздействие на сталь.

Термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации (примерно 80% стали подвергается горячей и тепловой прокатке).

Химико-термическая – сочетание термического и химического воздействия.

В результате термической обработки химический состав стали не меняется, изменяется ее структурное состояние, которое обеспечивает те или иные механические и технологические свойства. Для этого надо знать, какой режим нагрева, выдержки и охлаждения (то есть температуры и время) придаёт стали ту или иную структуру (то есть свойства).

Рассмотрим изменения структуры стали при нагреве. Сначала вспомним, что:

цементит – это химическое соединение Fe₃С,

аустенит – твёрдый раствор С в -Fe, максимальное содержание углерода 2,14 % при 1147 ^оС,

максимальное содержание углерода 0,8 % при 727 ^оС,

феррит – твёрдый раствор С в α-Fe, максимальное содержание углерода 0,02 % при 727 ^оС,

максимальное содержание углерода 0,006 % при 20 ^оС.

При понижении температуры менее 727 ^оС при выплавке стали -Fe переходит α-Fe, при этом углерод (разность 0,8 % – 0,02 % = 0,78 %) переходит в цементит Fe₃С, который располагается в виде пластинок по соседству с пластинками феррита. Таким образом, структура стали при температурах ниже 727 ^оС представляет собой перлит – пластинки Fe₃С (6,67 % С) перемежаются с соседними пластинками феррита, в котором содержание углерода менее или равно 0,02 %.

При нагреве до 727 ^оС перлит начинает превращаться в аустенит: увеличивается тепловое движение атомов (то есть возрастает их энергия), кристаллическая решётка железа начинает меняться (переходить из α в ), растворимость углерода в железе также увеличивается, углерод из пластинок цементита диффундирует в кристаллическую решётку -Fe, образуя аустенит. На линии GSE феррит уже полностью переходит в аустенит с разным содержанием углерода в нём.

Для ускорения диффузионных процессов, выравнивающих содержание углерода в аустените, сталь нагревают на 30-50 ^оС выше температур линии GSE и выдерживают при ней (каждый сплав при своей температуре) некоторое время, достаточное для выравнивания состава по объёму. Образующиеся при этом зёрна аустенита получаются мелкими, причём, величина зерна продуктов распада аустенита при его последующем охлаждении зависит от величины зерна аустенита: если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада получаются мелкими, а значит, у стали после термообработки будут лучшие механические свойства.

Превращение аустенита при охлаждении

Изменения в структуре стали, происходящие при её охлаждении, зависят от скорости охлаждения, то есть ∆t, ^оС /∆τ, мин, час. Перечислим способы охлаждения металла в порядке нарастания скорости охлаждени – заготовка/деталь находится:

1) в печи с закрытой дверцей, отопление отключено

2) в печи с открытой дверцей

3) на воздухе

4) в машинном масле

5) в горячей воде

6) в холодной воде

7) в растворе солей или щелочей.

Способы 1 и 2. Медленное охлаждение в печи: происходит распад аустенита при температурах, близких к температурам линии РSК (700 ^оС). Аустенит распадается на грубую смесь крупных пластинок цементит + феррит = перлит; твердость таких структур мала.

Способ 3. При распаде аустенита при более низких температурах (650 ^оС) получается более тонкая смесь пластинок феррита и цементита (~ в 3 раза меньше по размеру). Это – сорбит (по имени английского естествоиспытателя Сорби), твердость сорбита больше твердости перлита.

Способ 4. При температуре 550 ^оС образуется ещё более мелкая (примерно в 2 раза мельче сорбита) ферритно-цементитная смесь – троостит (по имени французского химика Труста), твердость которого значительно больше твердости перлита. Перлит, сорбит, троостит – это ферритно-цементитные смеси, различающиеся между собой величиной частиц цементита: в троостите они самые мелкие, поэтому его твердость самая большая.

Способы 5÷7. Скорости охлаждения очень большие, аустенит не успевает распадаться на ферритно-цементитную смесь, так как углерод не успевает выделяться из твёрдого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, хотя бы таких мелких, как в троостите. При перестройке -Fe в α-Fe атомы углерода остаются внутри решётки α-Fe и поэтому сильно её искажают. Чем больше углерода в железе, тем более искажена кристаллическая решётка, эта структура называется мартенситом (по имени немецкого металловеда Мартенса). Мартенсит очень твёрд (самая твёрдая из всех структур) и хрупок. Из-за твёрдости в стали стремятся получить именно мартенситную структуру, хотя пластичность и вязкость его практически нулевые.

Мартенситное превращение происходит в некотором интервале температур – от температуры начала превращения до температуры конца, причём, значения этих температур зависят от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем ниже температуры начала и конца мартенситного превращения (аустенит переходит в мартенсит). Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит переходит в мартенсит, называется критической скоростью закалки.

Изменяя скорость охлаждения аустенита, можно получить разные структуры стали – от мягких и пластичных, до твёрдых и хрупких. На этом и основана термическая обработка сталей в промышленности.

Различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг – применяется в основном для снижения твёрдости стальных заготовок перед механической обработкой – особенно, если сталь перед этим была подвергнута деформации в холодном состоянии (холодная прокатка, волочение) и дальнейшая её деформация становится невозможной. Тогда производят отжиг, чтобы вернуть стали пластичность для дальнейшей деформации. Заготовки из стали нагревают до определённой температуры, делают выдержку для выравнивания состава аустенита и медленно охлаждают в печи с закрытой или открытой дверцей. Видов отжига много, они различаются (для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей) температурой нагрева, временем выдержки, температурой и скоростью охлаждения, цикличностью. Но в результате отжига получают мелкозернистую структуру с пониженной твёрдостью, повышенной пластичностью, с минимальными внутренними напряжениями.

Нормализация (или нормализационный отжиг) – это разновидность отжига, заключающаяся в нагреве металла выше линии GSE на 30 ÷ 50 ^оС, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе, то есть не в печи. При этом происходит измельчение зёрен перлита – образуется сорбит, так как скорость охлаждения на воздухе больше скорости охлаждения в печи. Кроме того, в заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку вокруг зёрен стали – из-за большой скорости охлаждения цементит не успевает выделиться по границам зёрен.

Закалка – вид термической обработки, при которой сталь нагревается до температуры на 30 ÷ 50 ^оС больше, чем температура линии GSE, выдерживается при ней (для выравнивания в аустените углерода и легирующих элементов, если сталь легированная) и затем охлаждается со скоростью не менее критической – в воде. При этом сталь приобретает структуру мартенсита, обладающего большой прочностью и твёрдостью, особенно заэвтектоидные стали, так как в них кроме мартенсита содержится ещё и цементит. Кроме воды для закалки используются водные растворы солей, щелочей, кислот, масло, расплавленные соли, обычно комбинируют: сначала вода и растворы, потом – масло, в области температур мартенситного превращения, так как здесь скорость охлаждения не должна быть большой из-за угрозы образования трещин. Твердость закаленной стали составляет 50-65 единиц по Роквеллу.

Отпуск – вид термической обработки, заключается в нагреве закаленной стали до температуры не выше температур линии РSК, при этом углерод частично выходит из мартенситной решетки и неравновесная структура закалённой стали становится более равновесной. В результате отпуска снижаются или полностью устраняются внутренние напряжения, уменьшается хрупкость закалённой стали, получаются оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.

В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск – нагревают сталь до температуры примерно 250 ^оС и охлаждают для получения «мартенсита отпуска» и частичного снятия внутренних напряжений. Структура очень твёрдая, но пластичность и ударная вязкость увеличиваются не сильно.

Средний отпуск – нагрев стали от 350 до 450 ^оС и охлаждение для получения структуры «троостит отпуска»: мартенсит распадается на ферритно-цементитную смесь с высокими упругими свойствами и достаточной вязкостью. Мартенсит неустойчив, так как его кристаллическая решётка искажена ?.

Высокий отпуск – нагрев стали до температур 500 – 650 ^оС и охлаждение для получения структуры «сорбит отпуска» — практически полностью устраняются искажения кристаллической решётки α-Fe и снимаются закалочные напряжения, при этом число дислокаций становится минимальным. Зёрнышки цементита укрупняются и получается смесь более крупных зёрен «цементита и феррита», которая называется сорбит. У него сочетание свойств наилучшее – максимальная вязкость, пластичность, предел текучести (то есть опять же пластичность).

Так как качества стали после разных видов отпуска получаются разными, то эти виды отпуска применяются в соответствии с требованиями к изделиям, которые тоже разные – инструменты, пружины, валы, оси, шестерни, червяки и т.д.

Поверхностная закалка

Существуют изделия, к которым предъявляются противоположные, казалось бы, требования: с одной стороны, они должны быть износостойкими, то есть должны сопротивляться истиранию – это значит, они должны быть очень твёрдыми, с другой стороны, они не должны разрушаться при продолжительных ударных нагрузках – это значит, должны быть вязкими. Примеры таких изделий – зубья шестерён, кулачки распределительных валов, шейки коленчатых валов и др. В этих случаях всю деталь изготавливают из пластичного и вязкого материала, который имеет высокое сопротивление динамическим нагрузкам, а затем те поверхности, которые при работе будут истираться и поэтому должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью, дополнительно упрочняют. Для чего применяют поверхностную закалку.

При поверхностной закалке деталь изготавливают таким образом, чтобы сердцевине придать окончательные свойства – например, нормализационный отжиг. Затем закаляют необходимые поверхности на глубину до 2 мм – обычно по частям – отдельно каждый зуб зубчатого колеса или каждую шейку коленвала. Поверхностный слой стали нагревают – током высокой частоты или, реже, пламенем газовой горелки и охлаждают струями воды для получения в поверхностном слое структуры мартенсита. После этого деталь подвергают низкому отпуску с целью получения структуры «мартенсит отпуска», обладающей повышенной твердостью, пониженными ударной вязкостью и пластичностью, с пониженными внутренними напряжениями. На деталь надевают индуктор, повторяющий форму закаливаемой поверхности, подводят ток высокой частоты (от 500 Гц до 10 млн Гц). Ток высокой частоты индуцирует в детали вихревые токи, которые тем больше, чем ближе к поверхности детали и чем выше частота. Вихревые токи греют деталь.

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Структуру и свойства поверхностного слоя стали можно изменить химико-термической обработкой (ХТО), которая является комплексом химического и термического воздействия. ХТО основана на диффузии, то есть проникновении в сталь атомов различных элементов. Такая диффузия может иметь место только тогда, если диффундирующий элемент образует с основным металлом твёрдый раствор или химическое соединение.

При ХТО протекают следующие процессы:

диссоциация – распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента;
адсорбция или поглощение атомов поверхностью стали;
диффузия (на латыни — растекание, распространение) – проникновение атомов вглубь стали.

Диффузионное насыщение проводится различными элементами: С, N, Cr, Al, Si и другими. В зависимости от свойств элемента повышается твердость и износостойкость или жаростойкость, коррозионная стойкость и другие свойства.

При проведении любой ХТО деталь нагревают в среде, содержащей тот элемент, которым проводится насыщение. Выдержка при нагреве должна быть достаточной для того, чтобы атомы насыщающего элемента проникли в деталь на нужную глубину. Если насыщение проводится углеродом, то процесс называется цементацией, если азотом – то азотированием, хромом – хромированием, Si – силицированием, В – борированием и так далее.

Цементация – процесс ХТО, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом на глубину 0,5 ÷ 2 мм при нагреве в соответствующей среде. Цель – получение поверхности с большой твердостью и износостойкостью при вязкой сердцевине детали. Это достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом до 0,8 ÷ 1,0 % и последующей термической обработкой – закалкой или нормализацией при разных температурах и низким отпуском.

Цементации подвергают обычно низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,25 %) легированные стали. Цементацию проводят в твёрдых и (чаще) газообразных углеродсодержащих средах. В твёрдой среде, углем – старый способ, в газообразной – разработал Аносов в 30 гг. 19 века.

Цементируют обычно окисью углерода СО или природным газом – в основном метаном СН₄ в герметичных камерах при температуре 900 – 950 ^оС, газ разлагается на С (атомарный) и О₂ или Н₂, затем углерод диффундирует в аустенит поверхностного слоя, где образует цементит и – после закалки – мартенсит, а после отпуска – «мартенсит отпуска». Содержание углерода меняется от 0,8 ÷ 1,0 % на поверхности до 0,25 % в сердцевине детали. Структура стали тоже меняется от «перлит + цементит (в нем 6,67 % углерода)» на поверхности детали до «феррит + перлит (в нем очень малоуглерода)» в глубине детали.

Азотирование – процесс ХТО, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Разработан Чижевским в 1913 году. Азотирование проводят в атмосфере аммиака NH₃ при температуре 500-700 ^оС – условия как при высоком отпуске. Цель – получение поверхности с высокой твёрдостью и износостойкостью или устойчивостью против коррозии – так называемое антикоррозионное азотирование. Процесс ведут в герметичной печи. Аммиак диссоциирует на N (атомарный) и Н₂, атом азота проникает вглубь детали. Азот с металлами образует соединения – нитриды – Fe₂N, но самыми твёрдыми и термостойкими нитридами являются нитриды хрома, алюминия и молибдена – CrN, AlN и МоN, поэтому с целью получения очень твёрдой и термостойкой поверхности детали изготавливают из легированной стали, содержащей эти элементы – Cr, Al и Мо. Азотированные детали при работе могут испытывать не только трение, но и воздействие высоких температур (например, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания) – более 700 ^оС. Толщина азотированного слоя – 0,3 ÷ 0,6 мм, но процесс длится очень долго, до 90 часов. Это недостаток метода, который исправляют, используя другие режимы и среду азотирования.

Цианирование – поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной соли натрия NаСN при температуре 820–960 ^оС. Однако NаСN очень ядовит, поэтому больше применяется нитроцементация, при которой детали нагревают в газовой смеси, состоящей из науглероживающего газа и аммиака, то есть нитроцементация совмещает процессы газовой цементации и азотирования. Температура нитроцементации – до 870 ^оС, толщина слоя от 0,2 мм до 1 мм.

Преимущества метода – более низкие температуры (870 ^оС) по сравнению с цементацией (950 ^оС), меньшая продолжительность (2-10 часов против 90 часов), большая износостойкость; метод невредный, неядовитый. Из-за этого нитроцементация широко применяется и постепенно становится предпочтительной, то есть вытесняет и газовую цементацию, и уж тем более цианирование.

Борирование, алитирование, хромирование, силицирование – это всё виды ХТО – диффузионное насыщение поверхности стали соответственно бором, алюминием, хромом, кремнием при нагреве в соответствующей среде. В результате поверхностный слой стали получается:

при борировании – твёрдым, износостойким, коррозионностойким, жаростойким;
при алитировании – твёрдым, коррозионностойким, жаростойким;
при хромировании – твёрдым, износостойким, жаростойким, коррозионностойким;
при силицировании – твёрдым, жаростойким и коррозионностойким.

Процессы идут в разных средах, при разных температурах и временах, по разным технологиям, с получением поверхностного слоя разной толщины.

Вопросы для повторения

Виды и назначение термической обработки металлов.
Что такое мартенсит?
Какая структура стали получается в результате закалки?
Как изменяется структура стали при нагреве?
Свойства мартенсита?
В каких охлаждающих средах проводится закалка? Почему?
Как скорость охлаждения зависит от вида охлаждающей среды?
Какова кристаллическая решетка мартенсита?
Какие бывают виды отпуска стали?
Какая структура стали получается при охлаждении ее в закрытой печи? Почему?
Как зависит структура стали от скорости охлаждения?
Какая структура стали получается в результате низкого отпуска?
Какая структура стали получается при ее охлаждении на воздухе? Почему?
В каких случаях применяется отжиг?
Какая структура стали получается в результате среднего отпуска?
Какая структура стали получается в результате ее охлаждения в масле? Почему?
Как проводится отжиг?
Какая структура стали получается при высоком отпуске?
Какая структура стали получается при ее охлаждении в воде? Почему?
Какая структура стали получается в результате отжига?
Как связаны свойства металла с его структурой?
Что такое перлит?
Какая структура стали получается в результате нормализации?
Какие требования предъявляются к материалу, из которого изготавливают зубчатые колеса?
Что такое сорбит?
Что такое закалка?
Каким образом проводят поверхностную закалку?
Что такое троостит?
Как проводится закалка?
Что такое поверхностная закалка? Когда она применятся?
Виды, назначение термической обработки металлов?
Что такое отпуск стали?
Как изменяется структура стали при нагреве?
Что такое критическая скорость закалки?
С какой целью проводится отпуск стали?
Почему при термической обработке стали температуру нагрева берут близкой к линиям GSE и PSK?
При какой температуре образуется мартенсит?
Для чего при термической обработке стали при нагреве делают выдержку времени?
Как зависит скорость охлаждения от вида охлаждающей среды?
Как структура стали зависит от скорости охлаждения?
Как проводится нормализация?

В чем заключается воздействие химико-термической обработки?
На чем, каком явлении основана химико-термическая обработка металлов?
При каких условиях один элемент диффундирует в другой?
Какие процессы происходят при химико-термической обработке металлов?
Что такое диссоциация молекул внешней среды?
Что такое адсорбция?
Что такое диффузия?
Как называются виды ХТО в зависимости от насыщающего элемента?
Что такое цвета побежалости?
Для чего производят ХТО стали?
Какие стали подвергаются цементации? Почему?
В какой внешней среде проводят цементацию?
Свойства поверхностного слоя стали при цементации?
В какой внешней среде проводят азотирование?
Какие стали подвергаются азотированию? Почему?
Свойства поверхностного слоя стали после азотирования?
Какая ХТО называется цианированием? Охарактеризуйте ее.
Что такое нитроцементация? В какой внешней среде проводится?
Преимущества нитроцементации перед цианированием?
Как называются процессы химико-термической обработки стали бором, алюминием, хромом, кремнием?
Какие свойства приобретает сталь в результате борирования?
Какие свойства приобретает сталь в результате алитирования?
Какие свойства приобретает сталь в результате хромирования?
Какие свойства приобретает сталь в результате силицирования?

refdb.ru

Для чего нужна термообработка металлов?

ООО «КомплектСнаб» обеспечивает:

— Оперативную проработку заявок

— Выпуск продукции высокого качества в согласованные сроки

— Оперативную корректировку номенклатуры и количества поставляемого оборудования с учетом требования Заказчика

Чаще всего термообработка металлов нужна для изменения их физических свойств. Из-за сложных химических процессов в результате термообработки полностью или частично меняется структура металлического изделия. Благодаря такому воздействию, металл лучше обрабатывается, а его эксплуатационные свойства улучшаются.

Обрабатывают как заготовки и полуфабрикаты, так и готовые детали.

Как правило, в ходе термообработки металл сначала нагревается до определенной температуры, выдерживается в таком состоянии какое-то время, в затем остужается. От того, как долго металл будет нагрет и как быстро он будет остужаться, напрямую зависят его будущие физические свойства.

Один из видов термообработки — отпуск. Он уменьшает хрупкость, снимает внутреннее напряжение металла и повышает его вязкость. В зависимости от того, как сильно раскаляется деталь, отпуск разделяют на низкий, средний и высокий. Низкий отпуск (до 250 градусов) чаще всего применяется при обработке режущих инструментов, которые в результате теряют хрупкость и сохраняет твердость. Средний (300-500 градусов) отпуск предает детали «пружинистость», а высокий (до 600 градусов) — полностью снимает внутреннее напряжение металла.

Отжиг облегчает последующую обработку стали. Заготовку нагревают, а потом медленно охлаждают при комнатной температуре.

Закалка — еще один вид термической обработки деталей. Она придает твердость и износостойкость. Металл нагревают, выдерживают какое-то время, а затем быстро охлаждают. Для охлаждения обычно используют масло или воду. Если форма закаленной детали сложная, то ее сначала охлаждают в воде, а потом — в масле.

Иногда сочетают сразу несколько видов термообработки (например, сначала закаляют, а потом делают отпуск).

Термообработка металла — один из старейших способов улучшения изделий, проверенный веками и применяемый до сих пор.

komplectsnab.ru

теория термообработки: отжиг, закалка, отпуск, термомеханическая обработка — справочник нержавеющего металлопроката

/ Справочник металлопроката / Нержавеющий металлопрокат /

Некоторые термины из Теории термообработки

Термообработкой называется тепловое воздействие на металл с целью направленного изменения его структуры и свойств.

Классификация видов термообработки:

Отжиг.

Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига — уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.

Отжиг 1 рода — это такой вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями.

Отжиг 1 рода в свою очередь разделяют на 4 группы:

1. Гомогенизация— отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации характеризуются неравновесной структурой, т.е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.

Химическая неоднородность обусловлена различной температурой плавления исходных компонентов. Чем меньше это различие, тем более заметна химическая неоднородность, получающаяся в слитке. Избавится от нее невозможно, можно только уменьшить. Для этого применяют высокотемпературный отжиг с длительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. Чтобы устранить зональную ликвацию (химическую неоднородность в пределах части слитка), необходимо выдерживать слитки при данной температуре в течение нескольких лет. А это практически невозможно.

В процессе отжига на гомогенизацию происходит постепенное растворение неравновесных интерметаллидных фаз, которые могут образоваться в результате кристаллизации с большой скоростью. При последующем медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.

2. Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии, дислокации. Образование ячеистой структуры происходит с изменением формы зерен, они плющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается, пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка. Дальнейшая деформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагрев металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с оследующим медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Для чистых металлов температура начала рекристаллизации t_p=0,4Тпл, ºК, для обычных сплавов порядка 0,6Тпл, для сложных термопрочных сплавов 0,8Тпл. Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние.

Степень деформации определяет размер зерна после отжига. Если она близка к критической (e_кр=5-15%), то в результате после отжига в металле возникают крупные зерна, что обычно нежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным отжигом деформацию металлов производят со степенью 30-60%. В результате получается мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая хорошее сочетание прочности и пластичности. Увеличение степени деформации до 80-90% вызывает появление в металле текстуры деформации. После рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т.е. снижение механических свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать диаграмму рекристаллизации.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В некоторых случаях потребителю требуется полуфабрикат, сочетающий определенный уровень прочности с необходимым запасом пластичности. В этом случае вместо рекристаллизационного отжига используют его разновидность — отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре, которая ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата второго рода, т.е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепа зависит, прежде всего, от температуры. Чем ближе температура к порогу рекристаллизации, тем меньше наклеп, тем больше пластичность и наоборот.

3. Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с помощью специальных видов отжига. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации: t_отж=0,2-0,3Тпл º К. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т.е. из мест с повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. При нормальной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет. Увеличение температуры резко увеличивает скорость разрядки, и продолжительность такого отжига составляет несколько часов.

4. Патентирование. Смотреть термообработку стали.

Отжиг второго рода— термообработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.

При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная замена (aRbRa) в результате двойной перекристаллизации позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства детали. Отжиг второго рода может быть полным и неполным.

Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.

Закалка

Закалка — это термообработка, направленная на получение в сплаве максимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня свойств. Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры, выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. В зависимости от вида фазовых превращений, происходящих в сплаве при закалке, различают закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения.

Закалка с полиморфным превращением. Этот вид закалки применяется для сплавов, в которых один из компонентов имеет полиморфные превращения.

При закалке с полиморфным превращением нагрев металла производится до температуры, при которой происходит смена типа кристаллической решетки в основном компоненте. Образование высокотемпературной полиморфной структуры сопровождается увеличением растворимости легирующих элементов. Последующее резкое охлаждение ведет к обратному изменению типа кристаллической решетки, однако из-за быстрого охлаждения в твердом растворе остается избыточное содержание атомов других компонентов, поэтому после такого охлаждения образуется неравновесная структура. В металле сохраняются внутренние напряжения. Они вызывают резкое изменение свойств, увеличивается прочность, уменьшается пластичность. При быстром охлаждении перестройка кристаллической решетки происходит за счет одновременного смещения целы групп атомов. В результате вместо обычных зерен в металле появляется игольчатая структура, которая называется мартенситом. Неравновесное состояние металла после такого типа закалки является термодинамически неустойчивым. Поэтому, чтобы перевести металл в более устойчивое состояние, получить необходимый уровень внутренних напряжений, а соответственно и необходимые механические свойства, применяют дополнительную термообработку, которую называют отжиг.

Закалка без полиморфного превращения.

Применяется для сплавов, не испытывающих полиморфных превращений, но имеющих ограниченную растворимость одного компонента в другом.

Если сплав, содержащий вторичные фазы, нагреть до температуры выше линии солидус, то увеличение растворимости приведет к растворению вторичных фаз. Если теперь такой твердый раствор быстро охладить, то выделение вторичных фаз образоваться не успеет, т.к. для этого требуется время на прохождение процесса диффузии, образование другой кристаллической решетки, границ раздела между фазами. В результате, при нормальной температуре пересыщенный метастабильный твердый раствор содержит избыток второго компонента. Такое изменение структуры изменяет свойства сплава, прочность может, как увеличиться, так и уменьшиться, а пластичность, как правило, увеличивается. Состояние металла после такой закалки является термодинамически неустойчивым. Самопроизвольно или под влиянием предварительного нагрева метастабильный твердый раствор начинает распадаться с выделением вторичной фазы, т.е. α_мRα+β_II. Этот процесс называется старением.

Таким образом, старение — это термообработка, которая проводится после закалки без полиморфного превращения, направленная на получение в сплаве более равновесной структуры и заданного уровня свойств.

Отпуск.

Отпуск — термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в сплавах после закалки с полиморфным превращением. Образование вторичных фаз после закалки с полиморфным превращением всегда опровождается резким увеличением внутренних. Соответственно максимально увеличиваются прочность и твердость, до минимума падает пластичность. Чтобы получить необходимое соотношение прочности и пластичности, такой сплав после закалки подвергают дополнительной термообработке: отпуску. Нагрев вызывает уменьшение концентрации легирующих элементов в твердом растворе и выделение вторичных фаз.

После закалки без полиморфного превращения сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. Такое состояние сплава — нестабильное и с течением времени начинает меняться. Пересыщенный твердый раствор распадается с выделением из него мелких включений вторичной фазы. Этот процесс проходит в несколько стадий:

На первой стадии в кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные атомами второго компонента. С течением времени эти зоны увеличиваются.

На второй стадии концентрация атомов второго компонента достигает величины, соответствующей по концентрации выделения вторичной фазы.

Наступает третья стадия, т.е. формирование в этих зонах промежуточной кристаллической решетки, которая отличается то решетки твердого раствора и от решетки вторичной фазы.

На четвертой стадии увеличение концентрации второго компонента приводит кобразованию окончательной кристаллической решетки вторичной фазы и образованию границы раздела между твердым раствором и вторичной фазой. Так как процесс распада твердого раствора основан, прежде всего, на диффузионных процессах, то он в значительной степени зависти от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада. Если температура нормальная, то процесс распада называется естественным старением, а если температура повышенная, то — искусственным старением. В результате, после старения структура сплава представляет собой зерна твердого раствора равновесного химического состава, с равномерно распределенным по объему, огромным количеством мелких выделений вторичной фазы. Эти выделения, располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют перемещению дислокаций, требуют увеличение скалывающего напряжения. Соответственно, прочность и твердость сплава увеличиваются.

Химико-термическая обработка (ХТО).

Это одновременное воздействие на металл химической среды, тепла с целью направленного изменения состава и свойств поверхности детали. Различные виды ХТО направлены либо на повышение коррозионной стойкости, либо прочности и твердости, износостойких, антифрикционных свойств. Изменяя состав химической среды, можно в одних и тех же деталях получать различные свойства.

Термомеханическая обработка.

Это сочетание пластической деформации, упрочняющей термообработки, причем образующийся в результате деформации наклеп сохраняется и влияет на фазовые превращения, происходящие при термообработке.

Такое комплексное воздействие на металл позволяет получить уровень свойств в металле более высокий, чем можно получить после деформации или после термообработки в отдельности.

Коррозионностойкие стали

Коррозией называют разрушение металла под действием химического или электрохимического воздействия под действием окружаемой среды. Основные факторы воздействия коррозии и ее влияние на экономику:

Экономический фактор — экономические потери промышленности в результате коррозии.
Надежность эксплуатации объектов или машин.
Экологический фактор.

Виды коррозии:

Равномерная (поверхностная).
Местная (точечная).
Межкристаллитная (по границам зерен).
Коррозия под напряжением (ножевая).
Электрохимическая коррозия.

Межкристаллитная коррозия (МКК).

Железо не является коррозионностойким металлом. Чистое железо активно взаимодействует со всеми элементами. Повысить коррозионностойкость можно введением легирующих элементов, которые вызывают его пассивацию. Пассивация — эффект создания на поверхности стальной детали тонкой защитной пленки, подслоем которой является кислород. Результат — электронный потенциал становится положительным и поверхность становится менее склонной к коррозии. Усиливают пассивацию Cr, Ni, Cu, Mo, Pt, Pd. Особенно сильно влияет Cr.

Химический состав: Cr13-30%, Ni4-25%, Moдо 5%, Cuдо 1%. В зависимости от

содержания легирующих элементов структура и свойства сталей могут быть различными. Если сталь содержит в основном Cr, который стабилизирует феррит, то сталь будет ферритной (низкая твердость, низкая прочность, высокая пластичность). Если сталь содержит в себе кроме Cr C, то ее структура будет мартенситной. Зная структуру стали, можно прогнозировать ее свойства и назначать режимы термообработки. Для определения, к какому структурному классу относится сталь, разработана диаграмма Шеффлера.

Экв. Ni=%Ni + 30(%C) + 0,5(%Mn).

Экв. Cr=%Cr + %Mo + 1,5(%Si) + 0,5(%Nb).

Cr повышает коррозионную стойкость только в том случае, когда его количество в растворе превышает 13%. Если количество Cr не слишком высоко и при этом сталь содержит много углерода, то происходит взаимодействие Cr и С с образованием карбидов. Особенно энергично образование карбидов наблюдается на границах зерен. При этом количество Cr в твердом растворе снижается. И если Cr менее 13%, то границы зерен становятся незащищенными. В результате коррозия легко может пересылаться по границам, не затрагивая центров зерен. Если скорость охлаждения велика, то карбиды по границам зерен образовываться не успевают. Количество Cr не снижается меньше 13%. Если скорость охлаждения очень мала, то при этом сначала образуются карбиды по границам зерен. При этом количество Cr снижается, но за счет диффузии из центра зерна происходит увеличение содержания Cr и стойкость восстанавливается. Если охлаждение идет таким образом, что содержание Cr на границах не успевает увеличиться и остается меньше 13%, то такая сталь склонна к межкристаллитной коррозии. Чтобы сделать сталь нечувствительной к межкристаллитной коррозии, нужно:

Понизить содержание углерода и азота.
Вводить в сталь другие карбидообразующие элементы более сильные, чем Cr (Ti, Nb).
Увеличить скорость охлаждения при термообработке.
Делать отжиг.

Хромистые нержавеющие стали.

Хромистые нержавеющие стали являются самыми дешевыми и поэтому самыми распространенными. Минимальное содержание Cr 13%. При содержании Cr больше 13% стабилизируется α — фаза (феррит) и никаких полиморфных превращений в таких сталях не происходит. Нагрев вызывает только увеличение зерна. Длительная выдержка при температуре около 600-650º С вызывает появление в сталях интерметаллидной фазы. Образование такой фазы сильно охрупчивает сталь, поэтому является нежелательной. Медленное охлаждение или длительная выдержка при 500º С вызывает образование упорядоченного твердого раствора, что также вызывает хрупкость стали. Такую хрупкость называют 475ºной хрупкостью. Увеличение температуры выше 1000º С вызывает бурный рост зерна и как следствие снижение вязкости, т.е. сталь тоже становится хрупкой. Поэтому при всех вариантах изготовления деталей из этих сталей и их термообработки необходимо избегать температурных интервалов, при которых возможно охрупчивание и потеря вязкости.

Термообработка хромистых сталей.

Термообработка сталей в зависимости от необходимости может быть смягчающей, т.е. отжиг или упрочняющей, т.е. закалка + отпуск. Отжиг проводится либо для устранения хрупкости, либо для снятия наклепа, либо для стабилизации химического состава и устранения склонности стали к межкристаллитной коррозии. Для устранения хрупкости, вызванной появлением упорядоченного твердого раствора, применяют отжиг с нагревом 500-550º С. Время выдержки должно быть меньше, чем τ_minпри появлении хрупкости 475º. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Для устранения наклепа, а так же σ-фазы применяют второй вариант отжига с температурой 850-900º С. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Третий вариант отжига применяется для массивных деталей, когда требуется стабилизировать содержание Cr по сечению детали, чтобы избежать склонности стали к межкристаллитной коррозии. Выдержка от 2 до 4 часов. Для хромистых сталей мартенситного класса применяют упрочняющую термообработку: закалка + отпуск. Возможно применение одной закалки без отпуска, если деталь небольших размеров или охлаждение идет на воздухе. Для хромистых сталей мартенситного класса охлаждение в любом случае дает мартенситную структуру. Поэтому применение охлаждающих сред (вода, масло) не требуется. Лишь охлаждение печью вызывает ферритно-карбидную структуру. Такой же структуры можно добиться после закалки и отпуска при температуре 650º С.

Наибольшая твердость достигается после закалки. В этом состоянии сталь обладает наивысшей коррозионной стойкостью, т.к. Cr находится в твердом растворе. Если требуется сохранить твердость и коррозионную стойкость, то отпуск стали проводят при температуре 250-350º С. А если требуется повышенная вязкость, то проводят высокий отпуск (650º С).

Состав, структура и свойства хромистых сталей.

Основные легирующие элементы:

Cr- 13-28%.
С — 0,05-1%.
Ti, Nb< 1% — вводятся для стабилизации стали.
Ni, Cu, Mo- вводятся для повышения коррозионной стойкости и вязкости.

Хромистые стали делят на:

Cr 13%.
Cr 17%.
Cr 25-27%.

Увеличение содержания углерода вызывает в хромистых сталях мартенситное превращение, так же появление карбидов. Чем больше карбидов и С, тем

По содержанию углерода стали делят на:

Стали ферритного класса (08Х13, 08Х17, 05Х27).
Стали ферритно-мартенситного класса (12Х13).
Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13).
Стали с мартенситом + карбиды (65Х16, 95Х18Ш).

В зависимости от структуры стали изменяются ее свойства и назначение. Стали ферритного класса из всех хромистых отличаются наилучшей пластичностью. Из них изготавливают листы и другие полуфабрикаты для изготовления деталей с применением сварки. Из всех хромистых стали ферритного класса хорошо поддаются сварке. При использовании стали следует помнить, что она может охрупчиваться при медленном охлаждении, а так же при увеличении зерна. Поэтому в эти стали добавляют Tiи Nb, которые образуют карбиды. Такие стали называют стабилизированными. Для сталей ферритного класса применяют отжиг в разных вариантах — 1, 2, иногда 3.

Стали мартенситного класса отличаются высокой твердостью и прочностью, поэтому их используют для изготовления деталей, которые должны сохранять высокую прочность и твердость при работе в агрессивных средах. Для таких сталей проводят закалку + низкий отпуск.

Стали со структурой мартенсит + карбиды имеют большое количество карбидов хрома. Они используются для изготовления деталей, которые работают в агрессивных средах при температуре от -150 до +250º С. Твердость 57 HRC. Термообработка: закалка (1000-1150º С — воздух) + отжиг (250-350º С).

Хромоникелевые стали.

Если сталь кроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может измениться на ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлаждения на воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни при каких вариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становится аустенитной. Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, но так же и высокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработке давлением, сварке, сохраняет свойства до 600-700º С, не охрупчивается, не чувствительна к хладноломкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии и ее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.

И после закалки и после отжига структура одинаковая, одинаковые и свойства. Закалке подвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера. Температура и закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержит только Cr, Ni, то температура не должна превышать 950-1000º С. Увеличение температуры вызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение при закалке должно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшения стоимости хромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Niвводить Mn.

Для того, чтобы стабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr<15%, Mn>15%. Если условие не выполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Для получения стабильной аустенитной структуры Niзаменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9). Термообработка принципиально не отличается от термообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна, можно устранить, используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитного класса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чисто аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшие аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с кислотами. Поэтому разработаны коррозионно-стойкие сплавы:

Fe — Ni — Cr (04ХН40МДТЮ).

Ni- Cr (ХН45В).

Ni- Mo (Н70МФ).

Cr — Ni — Mo (ХН65МВ).

www.scmetal.ru

Реферат — Реферат — Термообработка, перлит, феррит, закалка, отпуск, нормализация, химический состав, легирующие…

Реферат — Термообработка, перлит, феррит, закалка, отпуск, нормализация, химический состав, легирующие элементы, цементация
скачать (130.5 kb.)

Доступные файлы (1):

содержание

1.doc

Реклама MarketGid:

Реферат

25 с., 6 табл., библ., 5 наим.

Термообработка, перлит, феррит, закалка, отпуск, нормализация, химический состав, легирующие элементы, цементация.
Данная работа посвящена обоснованию необходимости применения стали, указанной на чертеже, и разработка предложений по возможности её замены при изгатовлении распределительного вала. В работе сначала анализируются условия эксплуатации распределительного вала, выясняются требования, предьявляемые к нему. По полученым данным обосновывается использование стали, указанной на чертеже, предлогается её заменитель и разрабатывается режим термической обработки, обеспечивающий необходимый уровень механических свойств металла.

Содержание

Реферат
Введение

Анализ условий работы детали

Обоснование применения используемой стали и

предложения по её замене для конкретной детали

Разработка режимов по термической обработке

Поверхностное упрочнение, защитное покрытие

Разработка технологии изготовления детали

Возможные причины брака термической обработки

Мероприятия по технике безопасности при термической обработке

Заключение
Список используемой литературы

Введение

Распределительный вал является одним из важнейших элементов различных механизмов и машин.

Он служит для передачи вращающего момента.

При расположении вала в головке цилиндров привод осуществляется цепной или зубчато ременной передачей, в блоке целиндров по средствам шестерён.

Распред вал в зависимисти от области применения изготовляется из различных материалов.

Самый распространённый-сталь.

1. Анализ условий работы детали.
В механических передачах, различных узлах машин содержаться распред валы, предназначенные для потдерживания вращающих элементов машин.

Вали представляют собой звенья механизма, передающие крутящие моменты и по мимо изгиба испытывающие кручение.

Распред валы являются существенной частью автомтических машин, паровых и двигателей внутреннего сгорания.

Распред вал приводится в действие с помощью соответствующей передачи.

Распред вал на двигателе служит для привода клапанов.

Кулочки взаимодействующие с толкателями клапанов, а также опорные шейки, эксцентрики и отдельные торцевые опорные поверхности должны обдадать высокой изностойкостью.

Один из вариантов изготовления и упрочнения распред вала.

Валы из цементируемых сталей упрочняемые цементацыей с последующей поверхностной закалкой при поверхностном индукционном нагреве кулачков и шеек.

В этом случае облегчаеся обработка вала резаньем, но возростает общая трудоёмкость и сложность термо обработки.

Распред вал при эксплуотации можент иметь следующие дефекты:
погнутось, трещины, износ опорных шеек и кулачков по профилю.

Прогнутость вала устроняется правкой на прессе .

Опорные шейки ремонтируют шлифованием до ремонтных размеров.

Кулачки, изношенные по высоте, шлифуют на полировально шлифовальных станках.

При значительном уменьшени диаметра цилинрической части кулочка, а также при наличии рисок и раковин, не удоляемых мелко зернистым бруском, распред вал заменяют.
2. Обоснования применения используемой стали и предложения по замене её для конкретной детали.
Сталь 20Х – коннструкционная, легированноя.

Назначение – втулки, валы, шестерни, обоймы, гильзы, диски, рычаги и др. тетали к которым применяются требования высокой поверхностной твёрдости при не высокой прчности сердцевины детали.

Таблица 2.1

Температура критических точек.

Ас1	Ас2 (Асм)	Аr3 (Аrсм)	Аr1	Мн
750	825	755	665	390

Таблица 2.2

Химический состав % (ГОСТ 4543-71)

C	Si	Mn	Cr	P		S		Cu		Ni
0.17-0.23	0.17-0.37	0.5-0.8	0.7-1.0	0.035	0.035		0.3		0.3

Механические свойства проката
Заготовка – пруток.

Важные термробраблтки-

Цементация — 920-950 на воздухе

Закалка — 800 в масле

Отпуск – 190 на воздухе

Сечение – 60 мм

Условный предел текучести не менее 390 Мпа
Временное сопротивление разрыву ( предел прочности при растяжении) – не менее 640 Мпа

Относительное удлиннение при разрыве не менее13 %

Относительное сужение не менее 40%

Ударная вязкость, определённая на образце с концентраторами типа U (KCU) – не менее 49Дж\см

Твердость по бринелю не более 250
Таблица 2.3

Мех. свойства (ГОСТ 8479-70)

Термо-обработ-ка	Сечение	КП	Gо2	Gв	δ5	Ψ	Kcu Дж\см	НВ,не бол
			МПа		%
			Не менее
Закалка, отпуск	До 100	275	275	530	20	40	44	156-197

Температура ковки, начала 1260, конца 750.

Заготовки сечением до 200 мм охлаждаются на воздухе, 201-700 подвергаются низкотемпературному отжигу.

Сваривается без ограничений (кроме химико термической обработки деталей)

Способы сварки- ручная дуговая сварка, контактная.

Обробатывается резаньем – в горячем состоянии при НВ 131 и Gв=450Мпа,Коб.ст=1,3 ,Котв.спл=1,7

Заменитель – стали 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ
Таблица 2.4

Механические свойства при температуре отпуска 200 С

Температура отпуска	Go2	G1	δr	Ψ	кcu Дж\см
	МПа		%
200	Пруток диаметром 25 мм, зкалка 900 ,масло
	650	880	18	58	118

Таблица 2.5

Предел выносливости при n=10

G1, МПа	Состояние стали
412	Цементация.закалка.низкий отпуск. Gо,2=790 МПа, Gв=930 МПа, hrc 57-63

Таблица 2.6

Ударная вязкость kcu, Дж\см

температура				состояние
+20	-20	-40	-60	состояние
280-286	280-289	277-287	268-274	Пруток диаметром 115мм,закалка,отпуск

Легированные стали обладают лучшими механическими свойствами после термической обработки (закалки, отпуска). В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей выше, чем углеродистых. Особенно сильно повышаются предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а, следовательно, лучшей прокаливаемостью. После термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки легированная сталь позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. Для изготовления распределительного вала нужно выбирать сталь, которая обладает перечисленными свойствами и деталь, которая выполняется, должна иметь вязкую сердцевину и твердую поверхность. Данная сталь 20Х удовлетворяет этим требованиям и поэтому подходит для изготовления данного распределительного вала.

3. Разработка режимов термической обработки
Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т.д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг I рода

Этот вид отжига в зависимости от температурных условий выполнения устраняет физическую или химическую неоднородность, созданную предшествующими обработками. Характерная особенность этого отжига состоит в том, что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет. Поэтому отжиг I рода можно производить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений.
Гомогенизация.

Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллической ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность и флокены.

Оющая продолжительность диффузионного отжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) больших садок металла достигает 50-100 часов и более. Продолжительность выдержки – 8-20 часов.

Для удаления поверхностных дефектов слитки после отжига иногда подвергают нагреву при 670-680 С в течение 1-16 часов, что снижает твердость.

Рекристаллизационный отжиг – нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержка при этой температуре с последующим охлаждением. Этот вид отжига применяют и после холодной обработки давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования.температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекристаллизации. Продолжительность нагрева от 0.5 до 1.5 часов. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для отливок, сварных изделий, деталей после оюработки резанием и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п. возникли остаточные напряжения. отжиг стальных изделий проводится при температуре 160-700 С с последующим медленным охлаждением. Отжиг для снятия сварных напряжений проводится при 650-700 С.

Отжиг II рода

Заключается в нагревестали до температуры выше точки Ас3 или Ас1, выдержке и последующим, как правило, медленном охлаждении, в результате которого фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного структурного состояния.

После отжига углеродистой стали получаются структуры: феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эфтектоидной стали, перлит и первичный цементит в доэфтектоидных сталях. После отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью при высокой пластичности. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет видмонштеттову и другие неблагоприятные структуры стали.

Отжиг в промышленности в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат. Понижая проюность и твердость, отжиг улучшает обработку резанием средне и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутреннее напряжение и уменьшая структурную неоднородность, он способствует повышению пластичности и вязкости. Иногда отжиг является окончательной термической обработкой.

Различают следующие виды отжига: полный, изотермический, неполный.

Нормализация

Она заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 50 С, а эвтектоидной стали выше Аст также на 50 С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждений на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекрристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита. Это повышает на 10-15% прочность и твердость нормализованной средне и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

Нормализация горячекатанной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получении более высокой чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства будут при этом несколько ниже, но изделия подвергнутся меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке и вероятность появления трещин практически исключается.

Нормализацию с последующим высоким отпуском (600-650 С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность и трудоемкость этих двух операций выше, чем одного отжига.

Для конкретной детали (распределительного вала) нормализация проходит при температуре 880 С с последующим охлаждением на воздухе.

Закалка

Закалка – это термическая обработка, заключается в нагреве стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь – для повышения прочности, твердости, повышения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда сталей и высокой износостойкости.

Доэвтектоидной стали нагревают до температуры на 30-50 С выше точки Ас3. В этом случае сталь с исходной структурой перлит-феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. Закалку от температур соответствующих межкритическому интервалу (Ас1-Ас3), не применяются.

Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше Ас1. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик (15-20 С).

Для многих сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки Ас1 и Ас3 (150-200 С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызвать закалочных дефектов: трещин, деформаций, короблений и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях. Обычно для закалки используют неклеящие жидкости – воду, водные растворы солей и щелочей, масла.

Существуют различные способы закалки: непрерывной, прерывистой, ступенчатой, закалка с самоотпуском, изотермическая и светлая закалка.
^
Закаливаемость – это способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется содержанием в стали углерода. Чем выше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Прокаливаемость – это способность стали получать закаленный слой в мартенситной или тросто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закали, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше Vкрю, то изделие прокалится на некоторую глубину и прокаливаемость будет неполной. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны. Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлождающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром.

Отпуск

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточное напряжение. Быстрое охлаждение от 600 С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы воизбежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости после отпуска при 500-600 С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Различают низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный отпуск.

Низкий отпуск проводят с нагревом до 150-200 С, реже до 240-250 С. при этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки проводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0.5-1.3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58-63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкотемпературному отпуску подвергают поэтому режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также датели, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1-2.5 часа, а для больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.

Среднетемпературный отпуск выполняют при 350-500 С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости, предел выносливости и реакционную стойкость. Структура стали (0.45-0.8% С) после среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью HRC 40-50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной зрупкости. Охлаждение после отпуска при 400-500 С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературный отпуск. Его проводят при 500-680 С. структура стали при высокого отпуска – сорбит отпуска.высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Его проводят с целью:

Снижение внутреннего напряжения;
Снижение твердости для обдирки слитка.

Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределя прочности и текучемти, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Отпуск при 550-600 С в течение 1-2 часов почти полностью снимает остаточное напряжение, возникшее при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1-6 часов в зависимости от габаритных размеров изделий.

Для конкретной детали (распределительный вал) режимы термической обработки состоят из:

Предварительной термической обработки слитка, которая состоит из высокого отпуска, после чего производится нормализация.

Далее проводится правка детали, которая устраняет различные искажения размеров. Далее проводят цементацию, которая заключается в процессе насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости. Поэтому после цементации проводится окончательная термическая обработка, которая заключается в высоком отпуске, закалке и низком отпуске.

Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюрезаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготавливающих детали массовыми партиями.

В случае газовой цеменации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость нагрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюрезатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана и пропано-бутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации является диссоциация окиси углерода и метана. Процесс ведут при 910-930 С, 6-12 часов (толщина слоя 1-1.7 мм).

В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах серии Ц. Шахтные печи серии Ц имеют рабочую температуру 950 С, единовременную загрузку 185-1100 кг, диаметр рабочего пространства 300-600 мм и высоту 600-1200мм. Изделия в печь загружают на специальных подвесках и приспособлениях, которые помещают в реторте. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом. Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с образованием активного углерода и водорода.

На предприятиях с серийным масштабом производства также применяют полярные универсальные печи с герметизированной форкамерой и закалочным баком. В таких печах исключается контакт нагретых деталей с воздухом, предотвращается образование дефектов на поверхности изделий, снижающих прочность.

В крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия.

В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) механизирован и автоматизирован; производительность установок достигает 500-600 кг/ч и более. В печах непрерывного действия и камерных печах для цементации применяют эндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ (92-95% эндогаза и 3-5% природного газа). Эндотермическая атмосфера получается частичным сжиганием природного газа или другого углеводорода в специальном эндотермическом генераторе при 1000-1200 С в присутствии катализатора. При небольшом содержании в эндотермической атмосфере СН4 (до 5,0%) он не участвует непосредственно в процессе насыщения углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере СО.

В этих условиях на поверхности стали практически не выделяется сажа и сохраняется однозначная зависимость между углеродным потенциалом и содержанием Н2О и СО2 в атмосфере.

Для сокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы в начале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2-1,3% С, а затем его углеродный потенциал снижают до 0,8%.

В печах непрерывного действия предусмотрены две зоны по длине печи. В первую зону, примерно соответствующую 2/3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного и эндотермического газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной концентрацией углерода на поверхности, обычно 0,8% С. при использовании этого метода цементации следует иметь в виду, что снижение содержания углерода в слое от 1,2-1,3% до 0,8% происходит только за счет углерода, растворенного в аустените. В случае легированной стали снижение в аустените концентрации углерода и легирующих элементов приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и в итоге к ухудшению механических свойств обрабатываемого изделия. В процессе газовой цементации в сталь может диффундировать находящийся в атмосфере кислород. Это приводит к окислению поверхностного слоя стали, обладающих большим химическим средством к кислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннее окисление») снижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое трооститная сетка и окислы, что понижает его твердость и предел выносливости стали. Добавки и цементирующей атмосфере (в конце процесса) аммиака уменьшает вредное влияние внутреннего окисления. Скорость газовой цементации при температуре 930-950 С составляет 0,12-0,15 мм/ч при толщине слоя до 1,5-1,7 мм.

^
В мартеновских печах производят жидкий металл с разливой в слитке. Слиток подвергают предварительной термической обработке, которая состоит из высокого отпуска. Проходит снижение внутреннего напряжения, снижение твердости для обдирки слитка. Дялее производим прокатку и штамповку слитка методом горячей деформации при температуре от 1760 до750 С с последующим охлаждением. После этого следует термическая обработка заготовки – нормализация при температуре 880 С с последующим охлаждением на воздухе. При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру. Далее следует очистка от окалины. Затем проводим правку деталм, после чего следует механическая обработка заготовки, во время которой изготовляют демаль и далее подвергают ее цементации. Процесс ведут при 910-930 С 6-12 часов. Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации.
В данном случае проводится высокий отпуск при температуре 620 С с целью предотвращения образования остаточного аустенита при последующей закалке. Закалка проводится при температуре 820 С. это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины.
Заключительным этапом термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160-180 С переведя мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снижающий напряжения. Твердость поверхностного слоя после термической обработки HRC 58-62, а сердцевины HRC 30-42.
Контроль качества термической обработки состоит из: макроанализа, который применяют для выявления неметаллических включений и микроанализа, который позволяет определить структуру стали, глубину и твердость цементованного слоя.
В процессе термической обработки возможны поводка и коробление детали. Для проверки поводки и коробления осевые детали устанавливают в приспособления между центрвами и с помощью индикатора определяют биение. Чаще всего контроль качества после термической обработки производят замером твердости на твердомерах.
Контроль качества термической обработки детали, выявление внутренних и внешних дефектов металле осуществляется с помощью магнитного, рентгеновского, люменисцентного, ультразвукового и других физических неразрушающих методов контроля.
После контроля качества термической обработки проводят окончательную механическую обработку, которая заключается в проведении шлифования. После этого получают готовую деталь. После термической обработки структура поверхностного слоя данного распределительного вала – отпущенный мартенсит + карбиды (возможно сохранение остаточного аустенита, но для его разложения после цементации применяют высокий отпуск при температуре 620 С).
Сердцевина детали состоит из феррита и мартенсита. Данная термическая обработка обеспечивает высокую твердость цементованного слоя, прочность и достаточную вязкость сердцевины.
^
К основным дефектам, которые могут возникнуть при термической обработке сталей относятся трещины в изделии, внутренние или наружные, деформации и коробление.
Трещины.
При закалке трещины возникают в тех случаях , когда внутренние растягивающие напряжения первого рода превышают сопротивление стали отрыву. Трещины образуются при температуре ниже точки Мм, чаще после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода, повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.
Другой причиной образования трещин является наличие в излделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местные вырезки, углубления, выступы).
Трещины – неисправимый дефект. Для предупреждения их образования рекомендуется при конструировании изделий избегать резких выступов, заостренных уголков, резких переходов от толстых сечений к тонким и т.д. проводить закалку с возможно более низких температур;осуществлять медленное охлаждение в мартенситном интервале температур путем закалки в двух средах, ступенчатые закалки или применить изотермическую закалку; отпуск выполнять немедолнно после закалки.
Деформации и коробления.
Деформация, т.е. изменение размеров и формы изделий происходит при термической обрабоке в результате термических и структурных напряжений под действием неоднородных объемный изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями.
Несимметричную деформацию издеилй в практике часто называют короблением. Оно чаще наблюдается при неравномерном и чрезмерно высоком нагреве под закалку, неправильном положении детали при погружении в закалочную среду и высокой скорости охлаждения в мартенситном интервале температур. Устранение этих причин значительно уменьшает коробление.
Размеры изделий после закалки даже при отсутствии коробления не совподают с исходными значениями. Вызываемую этими изменениями деформацию можно уменьшить подбором соответствующего состава стали и условий термической обработки (в частности, применением степенчатой и изотермической закалки)
Виды брака при цементации и способы его устранения.
Существуют различные виды брака:

чрезмерно большая глубина цементованного слоя. Причины этого: завышенное время выдержки при цементации, применение активного карбюризатора, высокая температура цементации, неравномерная температура в печи.при завышенной глубине цементации брак неустраним.

Заниженная глубина цементованного слоя. Причины: недостаточное время выдержки при цементации, применение недостаточно активного карбюризатора, заниженная температура цементации, неравномерная температура в печи, недостаточная подача газа или керосина в случае газовой цементации.

Повышенная концентрация углерода в цементованном слое. Причины: применение активного карбюризатора и завышенное время выдержки при цементации. Меры предупреждения: соблюдение технологического процесса.

Понижени концентрация углерода в цементованном слое. Причины:применение недостаточно активного карбюризатора.

Неравномерная глубина цементованного слоя. Причины: зажиренная и грязная поверхность изделия, неправильная упаковка цементационных ящиков, отложение сажи при газовой цементации.

Отслаивание закаленного цементованного слоя. Причина: резкий переход от цементованного слоя к сердцевине, наличие цементитной сетки.

Хрупкость (выкрашивание поверхностного цементованного слоя). Причины этого брака: применение активного карбюризатора, завышенное время выдержки.

Стекловидные наплывы на поверхности изделий. Причины: наличие кварцевого песка в карбюризаторе. Меры предупреждения этого брака: не допускать попадания кварцевого песка в карбюризатор.
7. Мероприятия по технике безопасности при термической обработке
7,1 Требования, предъявляемые к зданиям и помещениям
Здания, в которых находятся термические цеха, отделения, участки должны располагаться по отношению к ближайшим жилим и общественным зданиям с подветренной стороны по отношению к господствующим в летнее время ветрам.
Термические цеха и другие подразделения термического производства, как правило, должны располагаться в одноэтажных, отдельно стоящих зданиях. Допускается в исключительных случаях размещать термические подразделения в верхнем этаже многоэтажных зданий.
Стены помещений термических цехов должны быть окрашены огнеупорной краской.
Полы термических цехов должны быть огнестойкими, ровными, нескользкими и легко очищаемыми от загрязнений, при применении в производстве химически активных веществ полы должны быть изготовлены из материала, устойчивого против химического воздействия.
7,2 ^
Рабочее производство печей для газовой цементации должно быть герметичным воизбежание взрыва газообразные карбюризаторы должны подавалься в печь при температуре печи не ниже 800 С. печи должны быть оборудованы специальным устройством для отвода отходящих газов и их дожигания.
При поверхностной закалке изделий с применением газопламенного нагрева должны соблюдаться действующие «Правила техники безопасности и производственной санитарии при производстве ацетилени, кислорода и газопламенной обработке металлов».
Рабочие места должны быть оборудованы местной механической вытяжкой. Вытяжные трубы должны обеспечить максимальный забор выделяющихся вредных газов от мест их образования. Рабочее место должно быть организованно таким образом, чтобы рабочие во все время работы занимали положение лицом по входному отверстию вытяжных устройств. Помещение, в котором производится пламенная поверхностная закалка изделий должна быть оборудована общеоюменной вентиляцией.
Очистка изделий после обработки должна производиться в гидропескоструйных камерах, а также в дробеструйных, дробеметных установках и установках для очистки металлическим песком. Использование пескоструйных аппаратов с применением сухой пескоочистки деталей запрещается.
^
Оборудование термических цехов должно располагаться в соответствии с общим направлением основного грузопотока. Расстояние между оборудованием и стенами цеха должно быть не менее одного метра.
Оборудование, при работе которого возникает шум, превышающий санитарные нормы, должно шумоизолироваться или устанавливаться в изолированных помещениях.
Производственные процесся, сопровождающиеся загрязнением воздуха рабочей зоны вредными выделениями различных паров, газов и пыли, если они расположены вне потока, должны быть отделены от других участников термической обработки, а оборудование должно быть снабжено местными отсосами или другими устройствами.
Заключение
В данной курсовой работе был разобран процесс изготовления распределительного вала. Предложена схема маршрутной технологии производства детали, разработаны режимы термической обработки, обеспечивающие необходимый уровень механических свойств металла.
В работе обосновано применение стали 20Х для изготовления распределительного вала и предложены ее заменители.
Также предложена термограмма технологического процесса детали, рассмотрены возможные причины брака термической обработки, указаны мероприятия по технике безопасности при термообработке.
^

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. Учебник для вузов – М.

Марочник сталей и сплавов. / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А.Вяткин и др. / под ред. В.Г. Сорокина. – М. : Машиностроение, 1989. – 640с.

В.М. Зуев. Термическая обработка металлов : Учебник для сред. ПТУ., 1986. – 288с.

Детали машин / Ю.Н. Березовский, Д.В. Чернилевский, М.С. Петров / под ред. Н.А. Бородина. – М. : Машиностроение, 1933. – 384с.

Фиргер И.В. Термическая обработка сплавов ; Справочник. – М. Машиностроение, 1982. – 304с., ип (серия справочников для рабочих)
Скачать файл (130.5 kb.)

gendocs.ru

Химическая термообработка – теория термообработки: отжиг, закалка, отпуск, термомеханическая обработка — справочник нержавеющего металлопроката

Термическая обработка металлов — Википедия

Виды термической обработки[править | пра

какие бывают способы и технологии для стали

Основные виды термической обработки

Отжиг металлов в печи

Технология закалки

Отпуск и старение сплавов

Криогенное воздействие

Термомеханическое воздействие

Химическая обработка

Цветные сплавы

Термическая обработка металлов и сплавов

Курсовая работа

Лекция 7 термическая обработка металлов

Для чего нужна термообработка металлов?

теория термообработки: отжиг, закалка, отпуск, термомеханическая обработка — справочник нержавеющего металлопроката

Некоторые термины из Теории термообработки

Отжиг.

Закалка

Отпуск.

Коррозионностойкие стали

Межкристаллитная коррозия (МКК).

Хромистые нержавеющие стали.

Термообработка хромистых сталей.

Состав, структура и свойства хромистых сталей.

Хромоникелевые стали.

Реферат — Реферат — Термообработка, перлит, феррит, закалка, отпуск, нормализация, химический состав, легирующие…

Доступные файлы (1):

1.doc

Реферат

Содержание

Введение

Нормализация

Закалка

Отпуск

Заключение

Добавить комментарий Отменить ответ